(57)【要約】【課題】ピストンの往復運動を確実に支持し、ピストンの往復運動による揺れを防止することが可能であり、かつ、製造が簡単であるバネ部材を有するピストン装置を提供する。【解決手段】シリンダ内でピストンが往復運動するピストン装置であって、ピストンロッド１５の先端部にバネ部材１３を固定する。バネ部材１３はピストンロッド１５に連結する中央部材１３１と、中央部材１３１に対して同心にリング１３２を配置し、中央部材１３１とリング１３２間にコイルバネ１３３を放射状に懸架して構成する。ピストンロッド１５はバネ部材１３により支持されており、ピストンロッド１５はコイルバネ１３３の偏倚力により上下運動が円滑に行われ、横方向の揺れはコイルバネ１３３により緩衝される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内でピストンが往復運動するピストン装置であって、前記ピストンのピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、前記バネ部材は前記ピストンロッドに連結する中央部材と、前記中央部材に対して同心のリングと、前記中央部材とリング間に放射状に懸架された複数の線状バネとを有することを特徴とするピストン装置。
【請求項２】
前記線状バネがジグザグバネであることを特徴とする請求項１に記載のピストン装置。
【請求項３】
シリンダ内でピストンが往復運動するピストン装置であって、前記ピストンのピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、前記バネ部材は前記ピストンロッドと連動して変位する中央部材と、前記中央部材の両面に間隙を有して配置された一対の固定板と、前記中央部材の各々の面と一対の前記固定板の各々の面間に列状に配置された複数の線状バネとを有することを特徴とするピストン装置。
【請求項４】
前記線状バネがコイルバネであることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のピストン装置。
【請求項５】
前記複数の線状バネを前記中央部材の等角度の位置に配置したことを特徴とする請求項３に記載のピストン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンやリニア駆動型コンプレッサなどに使用されるピストン装置に関し、特にピストンの往復運動時に揺れを生じさせないように支持することが可能なピストン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンやリニア駆動型コンプレッサなどに使用されるピストン装置において、ピストンの往復運動を維持させながらピストンの揺れを防止するために、ピストンの下端部ロッドとシリンダなどにより固定された板バネを設けた構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この板バネは、内側リブがピストンの下端部ロッドに支持され、外側リブがシリンダに固定されており、内側リブと外側リブがアームにより一体型に連結した構造をしている。そしてピストンが往復運動すると、内側リブも往復運動してピストンを円滑に往復運動させる。このとき、外側リブがシリンダに固定されているので、ピストンの往復運動による揺れを防止することができる。
【特許文献１】特開平９−１６６０４５号公報（[０００６]および図１、２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載された板バネは、特許文献１の図２に見られるように、内側リブがピストンの下端部ロッドに支持され、外側リブがシリンダに固定されており、内側リブと外側リブがアームにより一体型に連結した複雑な形状をしており、このような形状の板バネを作成するにはバネ性を有する金属製などの１枚板を打ち抜き加工などにより加工する必要がある。しかし、１枚板をこのような複雑な形状に打ち抜くには、大型のプレス機と板ばねの隅部で欠け等が発生せず、繰り返し打ち抜きが可能な高強度の金型と複雑な形状の高精度の金型が必要であり、製造が困難である。
さらに、スターリングエンジンの場合、電源周波数と同様な発電電圧波形を得るため、ディスプレーサの固有振動数は５０、６０等の固有振動数近傍が求められる。さらにリニア圧縮機の場合、小型化のために駆動周波数を高く持っていく場合、可動部の固有振動数は高くする必要がある。高い固有振動数近傍を得るために、板ばねは高いばね定数が必要となり、板ばねの高剛性化のため、板ばねの板厚が必要となる。そのため、打ち抜きのため、より大型のプレスが必要になり、さらには板ばね間の隙間が必要となるため、材料の有効利用が困難となり、生産性で課題がある。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するもので、ピストンの往復運動を確実に支持し、ピストンの往復運動による揺れを防止することが可能であり、かつ、製造が簡単であるバネ部材を有するピストン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のピストン装置は、シリンダ内でピストンが往復運動するピストン装置であって、前記ピストンのピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、前記バネ部材は前記ピストンロッドに連結する中央部材と、前記中央部材に対して同心のリングと、前記中央部材とリング間に放射状に懸架された複数の線状バネとを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のピストン装置において、前記線状バネがジグザグバネであることを特徴とする。
請求項３記載の本発明のピストン装置は、シリンダ内でピストンが往復運動するピストン装置であって、前記ピストンのピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、前記バネ部材は前記ピストンロッドと連動して変位する中央部材と、前記中央部材の両面に間隙を有して配置された一対の固定板と、前記中央部材の各々の面と一対の前記固定板の各々の面間に列状に配置された複数の線状バネとを有することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１または請求項３に記載のピストン装置において、前記線状バネがコイルバネであることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項３に記載のピストン装置において、前記複数の線状バネを前記中央部材の等角度の位置に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、スターリングエンジンやリニア駆動型コンプレッサなどに使用されるピストン装置におけるピストンの支持およびピストンの往復運動による揺れを防止するためのバネ部材を簡単な構造とし、製造も容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるピストン装置は、往復運動するピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、このバネ部材がピストンロッドに連結する中央部材と、この中央部材に対して同心のリングと、中央部材とリング間に放射状に複数の線状バネを懸架したものである。本実施の形態によれば、簡単な構造のバネ部材によりピストンの往復運動を確実に支持し、ピストンの往復運動による揺れを防止するとともに、バネ部材を簡単に製造することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるピストン装置において、線状バネをジグザグバネとしたものである。本実施の形態によれば、バネ部材の線状バネを安価なジグザグバネで形成しているので、バネ部材のコストを小さくすることができる。
本発明の第３の実施の形態によるピストン装置は、往復運動するピストンロッドの先端部にバネ部材が支持されており、このバネ部材がピストンロッドに連結する中央部材と、中央部材の両側に間隙を有して配置された一対の固定板と、この中央部材の各々の面と一対の固定板の各々の面間に列状に配置された複数の線状バネとを有したものである。本実施の形態によれば、簡単な構造のバネ部材によりピストンの往復運動を確実に支持し、ピストンの往復運動による揺れを防止するとともに、バネ部材を簡単に製造することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１または第３の実施の形態によるピストン装置において、線状バネをコイルバネとしたものである。本実施の形態によれば、バネ部材の線状バネを安価なコイルバネで形成しているので、バネ部材のコストを小さくすることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態によるピストン装置において、複数の線状バネを中央部材の等角度の位置に配置したものである。本実施の形態によれば、中央部材の一対の固定板に対する支持位置のバランスが維持され、ピストンロッドの往復運動に対して中央部材を安定して移動させることができる。
【実施例１】
【０００８】
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例によるピストン装置をスターリングエンジンに適用した場合の側断面概略図である。
図１において、シリンダ１内にディスプレーサピストン１１が挿入されてディスプレーサピストン部２が形成されている。ディスプレーサピストン部２の下方にはパワーピストン部３がシリンダ１内に直列して配置されている。パワーピストン部３は、シリンダ１内で上下方向に移動するパワーピストン４と、パワーピストン４の外周に配置され、シリンダ１に固定されるインナーヨーク５と、パワーピストン４の下端部に固定され、インナーヨーク５の外周に配置される永久磁石（可動部）７と、永久磁石７の外周に配置されるアウターヨーク６とを有して、発電機を構成している。インナーヨーク５にはコイル８を備えており、またパワーピストン４の中心部には貫通孔を有している。ディスプレーサピストン部２は、上部にはヒータ９を、外周部には再生器１０および冷却器１２を備えている。
ディスプレーサピストン１１とパワーピストン４との間には、中空部２０が設けられており、この中空部２０とパワーピストン４の貫通孔４１内にロッド１５が挿通される。ロッド１５の上端はディスプレーサピストン１１に固定され、その下端は板バネ１３に連結される。
【０００９】
図２（ａ）は、本発明によるピストン装置の実施例１におけるバネ部材１３の平面図である。バネ部材１３は、ピストンロッド１５に連結される中央部材１３１が中央部に配置され、この中央部材１３１に対して同心状にリング１３２が配置され、中央部材１３１とリング１３２間に放射状に複数本（図では６本）の線状バネ、たとえばコイルバネ１３３が中央部材１３１に対して放射状に懸架される。コイルバネ１３３は素線同士が接触しないようにピッチを持たせて減衰効果を低減させることが好ましい。
【００１０】
図２（ｂ）にコイルバネ１３３の側面図を示す。各コイルバネ１３３は中央部材１３１とリング１３２間に張力を付加した状態で懸架され、中央部材１３１とリング１３２間に引っ張り力が働いている。ピストンロッド１５は、中央部材１３１の中央部の孔１３４に挿通され、ねじ止めなど任意の方法で固定される。リング１３２の外周はシリンダ１に固定される。
【００１１】
つぎに、動作を説明する。図１におけるスターリングエンジンの動作は周知であるので、ここではその動作説明を省略し、ピストンロッド１５の動作についてのみ説明する。ディスプレーサピストン１１が上下方向に往復運動すると、ピストンロッド１５も上下方向に移動する。このとき、ピストンロッド１５に連結した中央部材１３１がピストンロッド１５に連動して上下方向に変位する。一方、リング１３２はシリンダ１に固定されているので、リング１３２自体は変位しない。したがって、中央部材１３１の移動による力がコイルバネ１３３に伝えられ、コイルバネ１３３の横方向の荷重を利用して往復運動する。コイルバネ１３３の横方向の荷重は、コイルバネ１３３に対する曲げ応力として作用する力である。この結果、ディスプレーサピストン１１は円滑に往復運動する。
ところで、ディスプレーサピストン１１が上下方向に往復運動する際、ディスプレーサピストン１１に横揺れが発生しようとする。しかし、リング１３２がシリンダ１に固定されているので、揺れが生じてもバネ部材１３自体は横揺れすることがない。したがって、ディスプレーサピストン１１による横揺れは、コイルバネ１３３により緩衝されて横揺れは防止される。
【実施例２】
【００１２】
図３（ａ）は、本発明によるピストン装置の実施例２におけるバネ部材１３の拡大図である。図２と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。本実施例においては、図２におけるコイルバネ１３３の代わりにジグザグバネ１３５を使用する。ジグザグバネ１３５は、図３（ａ）のようにコイルの線材をＳ字型に蛇行するようなジグザグ形状に形成したもので、図３（ｂ）に示すように側面から見た厚さが線材の厚さに相当する。したがって、図２（ａ）に示す実施例の場合に比較してバネ部材１３の厚さを小さくすることができ、板バネと同等の厚さにすることができる。動作および作用効果は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【実施例３】
【００１３】
図４は、本発明によるピストン装置の実施例３におけるバネ部材１３の一部断面側面図である。中央部材１６の中央にピストンロッド１５が接続される。中央部材１６の下側および上側には、中央部材１６の表面から間隙を持ってシリンダ１に固定される下固定板１７および上固定板１８を有する。下固定板１７および上固定板１８は、下固定板１７および上固定板１８が底板となるような有底筒体で形成しても良い。この場合は有底筒体の側壁がシリンダ１に固定される。上固定板１８の中央にはピストンロッド１５が出入する孔１８１が形成されている。中央部材１６の下面と下固定板１７の上面間には複数、好ましくは３本以上の線状バネ１９が配置される。また、中央部材１６の上面と上固定板１８の下面間に複数の線状バネ２０が配置される。線状バネ１９、２０は、それぞれ中央部材１６を中心として等角度の位置に配置される。すなわち、線状バネ１９が３本のときは１２０度間隔、４本のときは９０度間隔、５本のときは７２度間隔、６本のときは６０度間隔、・・・・・・で配置される。同様に、線状バネ２０も３本のときは１２０度間隔、４本のときは９０度間隔、５本のときは７２度間隔、６本のときは６０度間隔、・・・・・・で配置される。なお、線状バネ１９および２０は、中央部材１６の面に対して上下同一の位置に設置することが好ましい。
ところで、線状バネ１９および線状バネ２０を中央部材１６の上下に複数個配列して多列ばね構成とした場合、線状バネ１９の振幅と線状バネ２０の振幅が逆方向になる。なお、線状バネ１９および線状バネ２０は、中央部材１６に対して片振幅分だけ圧縮して配列することが好ましい。この圧縮は線状バネ１９および線状バネ２０を中央部材１６に配列する際に行えば、製造が容易である。また、線状バネ１９および線状バネ２０は、動作範囲内において素線同士が接触しないようにピッチを持たせる。
【００１４】
つぎに、動作を説明する。ディスプレーサピストン１１が上下方向に往復運動すると、ピストンロッド１５も上下方向に移動し、ピストンロッド１５に連結した中央部材１６もピストンロッド１５に連動して上下方向に変位する。下固定板１７および上固定板１８は、シリンダ１に固定されているので、下固定板１７および上固定板１８は変位しない。したがって、中央部材１６の変位による力が線状バネ１９、２０に伝えられ、中央部材１６は線状バネ１９、２０の偏倚力に支えられながら上下に往復運動する。したがって、ディスプレーサピストン１１は円滑に往復運動する。
一方、ディスプレーサピストン１１が上下方向に往復運動する際の横揺れは、線状バネ１９、２０がそれぞれ中央部材１６に等角度の位置に配置されているので、線状バネ１９、２０により緩衝されて横揺れは防止される。
本実施例によるバネ部材は、線状バネ１９、２０の軸方向への変動を利用しているので、線状バネ１９、２０の疲労が少ない利点がある。
なお、実施例１におけるコイルバネ１３３や実施例２におけるジグザグバネ１３５は、中央部材１３１とリング１３２間に張力を付加した状態で懸架する場合で説明したが、必ずしも張力を付加する必要はなく、組み付け作業性の上では張力を付与しない方が好ましい。
また、実施例１におけるコイルバネ１３３や実施例２におけるジグザグバネ１３５は、直線上に位置する二つのバネを一体に構成してもよい。
また、上記実施例におけるバネ部材として、例えばＪＩＳ  Ｇ  ３５６１、３５６０などの高強度の線材を用いることで，疲労強度的に優れ、ピストン装置としての信頼性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明によるピストン装置は、リニア駆動式のスターリングエンジンやスターリングクーラー、コンプレッサ、流体ポンプなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるピストン装置をスターリングエンジンに適用した場合の実施例における側断面概略図
【図２】（ａ）は本発明の実施例１におけるピストン装置のバネ部材の平面図、（ｂ）は本発明の実施例１におけるピストン装置のバネ部材に使用されるコイルバネの側面図
【図３】（ａ）は本発明の実施例２におけるピストン装置のバネ部材の拡大図、（ｂ）は本発明の実施例２におけるピストン装置のバネ部材に使用されるジグザグバネの側面図
【図４】本発明によるピストン装置の実施例３におけるバネ部材の一部断面側面図
【符号の説明】
【００１７】
１  シリンダ
４  パワーピストン
５  インナーヨーク
６  アウターヨーク
７  永久磁石
８  コイル
９  ヒータ
１０  再生器
１１  ディスプレーサピストン
１３  バネ部材
１５  ピストンロッド
１６  中央部材
１７  下固定板
１８  上固定板
１９、２０  線状バネ
１３１  中央部材
１３２  リング
１３３  コイルバネ
１３４、１８１  孔
１３５  ジグザグバネ
【図１】
2005147062.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005147062.tif 000005
【図４】
2005147062.tif 000006